2.1 大气这台反应炉：组成、结构与污染物总览

2.1 大气这台反应炉：组成、结构与污染物总览

本节摘要：大气是包裹地球的反应炉，既提供氧与循环，也是污染物最快速的传输介质。本节先看炉子的“炉体”——干洁大气的组成与温度随高度的垂直分层（对流层、平流层等）；再认“燃料”——大气污染物的一次源与二次源、天然源与人为源，以及它们如何随停留时间在远近间飘移。最后用两个可运行的算例：把体积分数换算成分压，把 ppm 浓度换算成微克每立方米，让抽象的“浓度”落到可执行的数字上。

学习目标

阅读完本节，你应当能够：

1. 说出干洁大气的体积比例与主要惰性成分。
2. 描述对流层与平流层在温度剖面与污染物行为上的差异。
3. 区分一次污染物与二次污染物，以及天然源与人为源。
4. 用道尔顿分压律把体积分数换算成分压。
5. 在 ppm 与微克每立方米之间完成浓度单位换算。

炉体：干洁空气的“配方”与垂直分层

把水汽去掉后的干洁空气，体积比例相对固定：氮气约 78%，氧气约 21%，氩约 0.93%，二氧化碳在工业化后已明显上升（约百万分之四二〇数量级）。剩下的惰性与微量气体含量极低，但恰恰是它们在污染问题里唱主角。

大气的垂直结构用温度剖面来分。对流层位于 0 到约 11 公里，温度随高度下降，空气在这里剧烈对流，是污染物的“搅拌锅”；平流层位于其上，温度随高度回升，气流水平流动、扩散缓慢，所以排到平流层的物质停留很久——这正是含氟卤素气体能在平流层长久停留并消耗臭氧的原因。

图：大气的垂直结构与污染物行为分区

温度剖面决定层间交换强弱，从而决定污染物在各层的停留时长与反应特性。

燃料：污染物从哪烧出来的

污染物按成因分两类。一次污染物直接由源排出，如机动车尾气里的氮氧化物、燃煤的二氧化硫、以及细小颗粒；二次污染物是前者在大气里经光化学反应后新生成的，典型是臭氧、过氧乙酰硝酸酯、以及硫酸盐气溶胶。一次与二次的边界并不总能划清——同一物质在不同时段可能是不同角色的产物。

按来源又可分为天然源与人为源：火山喷发释放二氧化硫与灰，雷击与土壤微生物产生氧化亚氮与氮氧化物；而化石燃料燃烧、工业催化、农业施肥则是主要的人为来源。多数城市臭氧事件的核心，正是“机动车氮氧化物 + 工业挥发性有机物”这一对人为搭档。

算例一：体积分数到分压

报告单上常写“某气体积分数为 40 ppm”。ppm 是百万分之一，即每百万体积一份中含一份该气体。用道尔顿分压律得该气体分压＝体积分数×总压：

# 体积分数 → 分压
P_total = 101325.0     # 大气压 Pa
fraction_ppm = 450     # CO2 体积分数，单位 ppm
p_CO2 = fraction_ppm * 1e-6 * P_total
print(f"CO2 分压 = {p_CO2:.2f} Pa")

vol = fraction_ppm / 1e6
print(f"体积分数 = {vol:.2e}")   # 4.5e-4

# 一个 5000 m^3 房间，CO2 体积
room = 5000.0
vol_CO2 = room * vol
print(f"室内 CO2 体积约 {vol_CO2:.2f} m^3")
​

这个换算常被忽略，却决定了气体溶解进雨水、进入肺部的推动力。分压越大，越容易向液相或生物体内转移。

算例二：ppm 到微克每立方米

气体浓度更常见的可比单位是微克每立方米，需用摩尔质量换算。以臭氧为例：

# ppm → 微克每立方米
def ppm_to_ugm3(ppm, mol_wt, Temp=298.15, P=101325.0):
    R = 8.314
    Vm = R * Temp / P          # 摩尔体积 m^3/mol
    pg_per_m3 = ppm * 1e-6 * mol_wt / Vm * 1e6   # 微克/m^3
    return pg_per_m3

o3_ppm = 0.16          # 某城区午后测得的 O3，单位 ppm
ug = ppm_to_ugm3(o3_ppm, 48.0)
print(f"O3 {o3_ppm} ppm ≈ {ug:.0f} 微克每立方米")

# 对照国标小时均值 200 微克每立方米的含义
factor = ug / 200.0
print(f"为标准小时均值限值的 {factor*100:.0f}%")
​

同一个化学量，用 ppm 看只是“小数”，换算成微克每立方米并对照限值后，就变成是否触发提醒的明确信号。记住这个换算，才能在读监测公报时一眼判断超标与否。

真实案例：跨区域的沙尘与工业烟雾

自然界最直观的“大气传输”是黄沙跨越数千公里从戈壁漂向东部沿海；人类尺度上，华北工业带的颗粒物与氮氧化物在风场驱动下，数天内就能影响下游城市。这类事件反复提醒我们：大气污染不认行政边界，监测数据必须叠加气象才能做“反推源”的判断。

本节要点回顾

• 组成：氮、氧、氩占绝对主体，微量成分主导污染。
• 分层：对流层强对流、快速清洗；平流层水平流动、难以自净。
• 分类：一次与二次源、天然与人为源两条坐标线。
• 分压：分压等于体积分数乘总压，决定转移推动力。
• 单位：ppm 换算微克每立方米要用摩尔质量与摩尔体积。
• 案例：跨界传输说明监管与反推都必须叠加气象。